机械毕业设计（论文）-FS400高速涡流粉碎机的设计【全套图纸Proe三维】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： FS400 高速涡流粉碎机的设计高速涡流粉碎机的设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） FS400 高速 涡流粉碎机的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引 用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他 个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 95 学 号： 0923212 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 FS400 高速涡流粉碎机的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 随着高新技术和新材料产业的发展，实际生产对超细粉体产品粒度、纯度 及粒度分布等各项精度要求也相应提高，同时又面临节约能源、保护环境等资 源可持续发展战略的挑战。超细粉碎技术是伴随着现代高技术和新材料产业 以及传统产业技术进步和资源综合利用及深加工等发展起来的一项新的粉碎 工程技术，起越来越重要的作用。 在实际生产中，普通粉碎机存在能耗过大、效率低且产生过热粉碎等问题， 既影响产品品质又阻碍粉碎原料的发展。高速涡流粉碎机是一种高效粉碎设 备，拥有能耗小、粉碎能力大、结构紧凑等优点，具有广泛的应用前景。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 阅读并翻译与课题相关的外文资料，语句通顺准确； 了解粉碎机的工作原理、工作过程及结构特点； 拟定分析设备设计方案； 运用 Pro/E 软件进行三维设计、三维装配； II 绘制关键零件的二维图和总装配图； 编写设计说明书，要求格式正确、语言简洁通畅、层次分明。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 95 班班 姓名姓名 龚家柱 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 7 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所所长学科组组长研究所所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 年年 月月 日日 III 摘摘 要要 本文介绍了一种新型高效粉碎机，它可以粉碎非金属、脆性、粘性、韧性大或热敏 感物料。由底座、电机、主轴、箱体、转子、叶轮、进料口、出料口组成，其特性是由 沿主轴设置的三级涡流室组成。第一级涡流室由进料涡流风机叶轮组成，第二级涡流室 有三组刀盘转子，每组刀盘由14个径向安装轴向带角度的撞击刀片组成，在每组转子之 间由间隔板分隔开各个刀盘，形成多个小涡流室，涡流室内壁衬板与刀片保持较小的间 隙，第三级涡流室由排料涡流风机叶轮组成，整个系统由主轴联接，箱体夹层通过冷却 水有效降温。优点是能耗低，效率高，损耗小，结构紧凑，运行稳定，安全可靠，操作 简单。其工作原理是运用高速转动的叶轮产生超强涡流和高频振动空气对物料进行瞬间 粉碎，从而使产品粒度分布合理，不易产生过热，生产力大幅度提高、能耗下降。且机 构简单，易于检查、维修，该产品结构新颖，采用宽腔体带水夹套结构，有四组冷却通 道，冷却效果理想，能有效地防止粉末粘腔、粘力现象。 关键词：关键词：粉碎机；涡流；高频振动 IV Abstract This paper presents a new and efficient micronizer. It can be crushed to the non-metallic, brittle, viscosity, toughness or heat-sensitive materials. By the base, the motor, the spindle casing, a rotor, impeller, feed port, spout composition, its characteristic tertiary vortex chamber is set by the spindle. The first stage of the swirl chamber from the feed eddy current fan impeller, the second level of the swirl chamber the three groups cutter rotor, each set of cutter installed by 14 radial axial angled impact blade between each set of rotor spacer plates separated from each cutter, forming a plurality of swirl chamber, the the vortex interior wall liner with the blade to maintain a small gap, the third level of the swirl chamber vortex fan impeller discharge, the entire system by the spindle connection, Case sandwich effective cooling by the cooling water. The advantages of low energy consumption, high efficiency, low loss, compact, stable, safe and reliable, simple operation. Its working principle is to use the high-speed rotation of the impeller super eddy current and high-frequency vibration air of the material for instant smash, so that the particle size distribution is reasonable, easy to produce overheating, significant productivity increase, energy consumption decreased. And the mechanism is simple, readily accessible for inspection, maintenance, the product structure, the use of a wide cavity with water jacket structure, there are four sets of cooling channels, the cooling effect is ideal, can effectively prevent the powder stick cavity, adhesion phenomena. Key words: Micronizer; Eddy; High-frequency vibration V 目目 录录 摘 要 .III ABSTRACT IV 目 录.V 1 绪论 .1 1.1 概况和发展趋势 1 1.1.1 粉碎机的定义及应用 .1 1.1.2 超微粉碎机概况 .2 1.2 课题的提出与意义 4 1.3 课题的主要内容 5 2 总体方案的确定 .7 2.1 设计依据 7 2.2 粉碎机总体方案的确定 7 2.2.1 传动装置的设计 .7 2.2.2 粉碎室的设计 .7 2.2.3 水冷装置的设计 .7 3 FS400 高速涡流粉碎机总体设计.8 3.1 粉碎机工作参数的选择 8 3.1.1 回转轴的转速 .8 3.1.2 粉碎室刀片与牙板的间隙 .8 3.1.3 风量的选择 .8 3.2 传动装置的设计 9 3.2.1 电动机的选择 .9 3.2.2 V 带的设计.11 3.3 粉碎室的设计 13 3.3.1 粉碎机机壳的设计 .13 3.3.2 粉碎机内腔衬板的设计 .14 3.3.3 粉碎机刀片和刀架的设计 .15 3.3.4 进料风轮和出料风轮的设计 .17 3.3.5 主轴的设计及校核 .19 3.3.6 进料口和出料挡板的设计 .22 3.3.7 水冷装置的设计 .23 3.3.8 粉碎机的整体安装 .24 3.3.9 粉碎机的注意事项 .25 3.4 FS400 高速涡流粉碎机特性25 4 结论与展望 .27 4.1 结论 27 4.2 不足之处及未来展望 27 VI 致谢 .30 参考文献 .31 FS400 高速涡流粉碎机的设计 1 1 绪论绪论 1.1 概况和发展趋势概况和发展趋势 1.1.1 粉碎机的定义及应用粉碎机的定义及应用 粉碎机是将大尺寸固体原料粉碎至要求尺寸的机械。 根据被碎料或碎制料的尺寸，可将粉碎机分为粗碎机、中碎机、细磨机和超细磨机。 根据应用范围，可将粉碎机分为塑料粉碎机、木屑粉碎机、煤泥粉碎机、中药粉碎 机、秸秆粉碎机、贝壳粉碎机、饲料粉碎机和锯末粉碎机等。 根据工作原理，可将粉碎机分为箱式粉碎机、气流粉碎机、涡轮粉碎机、冷冻粉碎 机、低温粉碎机、超细粉碎机和超微粉碎机等。 在粉碎过程中，施加于固体的外力有压轧、剪断、冲击、研磨四种。压轧主要用在 粗、中碎，适用于硬质料和大块料的破碎。剪断主要用在细碎，适于韧性物料的粉碎。 冲击主要用在中碎、细磨、超细磨，适于脆性物料的粉碎。研磨主要在细磨、超细磨， 适于小块及细颗粒的粉碎。实际的粉碎过程往往是同时作用的几种外力。 大型粉碎机主要适用于建材、冶金、钢铁、化工等行业矿产品物料的粉磨加工，可 加工石英、方解石、重晶石、稀土、大理石、陶瓷等等莫氏硬度在 9.3 级以下且湿度在 6%以下的各种非易燃易爆的矿产物料等。 在近 30 年里，超微粉碎机作为一项高新技术，发展并应用在了各行各业，它能把原 材料加工成微米甚至纳米级的微粉末，在各行各业得到了广泛应用。鉴于粉碎是中药生 产及应用中的基本加工技术，超微粉碎已愈来愈引起人们的关注，虽然起步较晚，开发 研制的品种相对较少，但已显露出特有的优势和广阔的应用前景。 超微粉碎技术是粉体工程中的一项重要内容，包括对粉体原料的超微粉碎，高精度 的分级和表面活性改变等内容。根据原料和成品颗粒的大小或粒度，粉碎可分为粗粉碎、 细粉碎、微粉碎和超微粉碎。在实际生产中，各国各行业由于超微粉体的用途、制备方 法和技术水平的差别，对超微粉体的粒度有不同的划分。 超微粉碎机一般为无筛式粉碎机，粉碎物料粒度由气流速度控制，粉碎粒度要求 95通过 0.15mm（100 目） ，一般用于特种水产饵料或水产开口饵料，超微粉碎通常由超 微粉碎机、气力输送、分级机配套来完成，原料的粉碎粒度非常细，同时也带来了较多 的问题，如静电吸附、物料流动性差、粉碎耗能大、提高了生产成本等等，这些不利影 响可以通过采用不同方法解决。 超微粉碎是通过对物料的冲击、碰撞、剪切、研磨、分散等手段而实现的。传统粉 碎中的挤压粉碎方法不能用于超微粉碎，否则会产生造粒效果。选择粉碎方法时，需要 根据粉碎物料的性质和所要求的粉碎比来确定，在这其中被粉碎物料的物理、化学性能 具有很大的决定性作用，而其中物料的硬度和破裂性更是居于首要的地位，对于坚硬和 脆性的物料，易采用冲击的方式，而对于中药材，则采用研磨、剪切的方式效果较好。 实际上任何一种粉碎机器都不是采用单纯的某一种粉碎机理，一般都是采用由两种或两 种以上的粉碎机理进行物料的粉碎的，如气流粉碎机是利用冲击和碰撞粉碎物料的，高 速冲击式粉碎机是利用冲击和剪切粉碎物料的，振动磨、搅拌磨和球磨机则主要是研磨、 无锡太湖学院学士学位论文 2 冲击和剪切的粉碎原理，而胶体磨的工作过程主要是通过高速旋转的磨体与固定磨体的 相对运动产生的强烈剪切、摩擦、冲击等等粉碎物料的。 1.1.2 超微粉碎机概况超微粉碎机概况 微粉碎机可分为轧辊式、高速回转式、媒体式、气流式、摩擦剪切式等多种。其中， 高速回转粉碎机主要是用高速回转的转子产生冲击、剪切、摩擦作用，实现粒子的微细 化。 这种形式的粉碎最早为捶击式，是一种历史悠久的典型粉碎机。但是，近年来，由于从 不同角度进行研究，逐渐开发了许多新机种。特别是对于新材料的出现，已经开发出许 多更高性能、更高效率的粉碎机。例如，作为静电复印的显像粉剂，为了实现这种精密 级粉碎，过去大多采用气流式粉碎机，但最近已开发出新结构的机械式高速回转粉碎机， 实现了能耗低、效率高的微粉碎处理。 (1) 高速回转粉碎机的分类、特点和应用技术 高速回转粉碎机的粉方法有很多种。根据形状和结构可分为锤击式、转盘式、轴流 式、环形式、刀片式。另外，根据粉碎原理又可划分为冲击粉碎式和摩擦（压缩、剪切） 式两大类。 1）锤击式。 锤击式是在回转转子上安装固定式或摇摆式的振锤或叶片。作为分级 机构，多采用筛网进行从中碎到 100m 的较粗粒子的粉碎。 在其的转子上，通常安装马镫状的摇摆锉，适合周速最高达 100m/s 的高速回转，因 此也有高的粉碎能力。 2）转盘式。 转盘式如销磨机或涡轮式磨机。在转盘上固定着销或叶片等冲击元件， 是一种直径方向比轴向更大的装置。这种形式的粉碎机一般比锤击式有更大的周速。所 以可能进行更微细的粉碎。作为分级机，除了采用筛网之外，还采用截口点更小的风力 分级机。另外，为了能使冲击时的相对速度更大，已设计了使用 2 个回转圆盘逆向回转 的微粉化结构。 AM 是这种微粉碎机的通用机型。它主要由冲击式粉碎室和气流分级室两部分组成。 粉碎室由粉碎转子和带圆弧漕的定子构成。转子盘上面装有舒数量不等的锤头，其周速 高达 100m/s 乃至更高。分级室由分流环和分级叶轮构成。粉碎和分级分别由各自电机带 动，由于内装可调速的空气分级器，所以可得到所需的合适粒径分布均匀的制品。经分 级后的粗粉，再度回到粉碎是室粉碎。AM 粉碎机的特点是进风量大，可以抑制温度上升， 非常适合各种粉体涂料、树脂原料和热弱性材料的粉碎，应用范围广泛。 近来对本机进行了新的开发。通过改进转子上的冲击元件，增加了物料粉碎过程中 碰撞机率，可以提高一倍以上粉碎处理能力。另外为适应用户便于清洁的需求，本机也 采用开口式结构，是一种便于清洗的机型。 3）轴流式。 轴流式粉碎机物料在粉碎过程中一边回转，一边做轴向移动进行粉碎。 为了控制产品粒度，在冲击元件和分级结构上进行改进，实现转速和风量的调节。 在 2 个粉碎室的出口处安装内经不同的环状物进行粒度控制。另外，在本装置中没 有被粉碎到一定尺寸的残留物，通过螺旋喷嘴排出。原料进入锥形料斗后，被装在粉碎 室和衬套之间的小型冲击元件粉碎，更通过有效的压碎剪切效果，达到最微小粉碎。另 FS400 高速涡流粉碎机的设计 3 外，还开发出转子转轴的偏心回转，压缩效果更高的粉碎机。 JM 立式高速回转粉碎机更是另一种高性能轴流式微粉碎机。有加料器定量共给并与 空气一起从下部吸气口进入机内的物料，经皮带拖动的高速旋转的转子沿圆周方向均匀 分散后到达转子与定子衬套之间形成的粉碎区。转子和定子陈套的表面部分分别制成特 殊形状的多沟槽，并于定子衬套壁面摩擦为主的粉碎。这种与通常依靠转子叶片棱角的 冲击力进行粉碎机理很不相同。本机的基本上制品粒度范围 d50=5-20m，分布均匀，且 有球状化效果，电能消耗省。 4）环形式。 环形粉碎机是轴流式粉碎机的一种。其转子和衬套件留很小间隙，两 者表面都加有许多沟槽。粉碎过程中在其中形成强烈的涡流，与这种有效粉碎密切相关。 它比其他粉碎机更能得到均匀的剪切速度场。所以能保证粒度十分均匀的微粉产品。 通过粉碎带的流体模拟可以看出高速回转的多叶片和衬套周边的流体分布。在叶片 的间隙部分发出小涡流，促进粒子的频繁撞击和粉碎。 这种粉碎原理不同于历来的高速回转粉碎机，也有别于气流粉碎机。这种粉碎机的 粉碎处理能力和产品平均粒径与过去高速回转粉碎机比较。例如：对纤维素来说，应对 该机能将纤维粉碎到 30m 以下，这一点是过去的高速回转粉碎机难以实现的。 由于本机能单独设定粉碎和分级部分转速，所以能将产品平均粒径控制在 5-10m 较 宽范围内随意变化。 环形粉碎机还可以用于粒子的球状化处理。如对静电照明用的调色涂料，不仅要求 粒径，还要求形状和表面特性，这是因为这些特性对涂料粒子的带电性、流动性、清洗 型具有很大影响。可以通过调节原料在机内的滞留时间或处理温度等方法来满足这些要 求。 5）刀片式。 刀片磨机利用高速回转的锐利刀片和固定衬套之间产生空气涡流，使 粉碎物之间发生碰撞、剪切来实现粉碎。 该机对难粉碎原料（纤维质、弹性质）粉碎特别有效。为了能清扫机内的残留物， 采用了门盖方式，打开门盖，粉碎转子露出，很方便清洗，对于食品工业小批量多品种 特别适合。 该机平均粒径可达 10m，粒度分布范围窄，其能量消耗仅为气流磨的一半。 （2） 高速回转粉碎机的粉碎极限 高速回转粉碎机如上述可分为多种形式，即使在一种粉碎机中也复合了冲击、剪切、 磨擦等不同粉碎机原理。所以应看成复合作用，但在冲击式粉碎机中，粒子和冲击元件 的冲击速度是起决定性主要因素。 另外，粉碎效果不仅和粉碎机的机械条件相关，也和物料的物性相关。原料为脆性 材料是，冲击远见给粒子最大的冲击力 PmaxN，可以根据 Hertz 接触应力理论推算出大 概值，然后根据这个冲击力，利用平松式1算出粒子内部发生的抗拉力 Spa，因此，冲 击时，作用于粒子上的破坏力 Sfpa就能用下式算出： Sf=0.34(i-V)2IVt 1-v 另一方面，粒子（体积 Vp)的破坏强度 Ss 和碎粒的裂纹的分布概率有关，所以能用 威布尔式表示：通过实验，可以归纳成下式计算:Ss=aVp-b(a、b：常数) 无锡太湖学院学士学位论文 4 因此当粒子受到的皮坏力 Sf 避破坏强度 Ss 更大时，粒子就发生破坏，由此就能求出 冲击引起的粉碎粒子的极限直径 dpb(m)。以石灰石为例，冲击元件为钢制件时的物性值 和实验常数。综合上述两式进行粉碎，就能获得石灰石在冲击速度为 V 时，相应的粉碎 极限粒径。 （3） 不同类型粉碎机的粉碎效果2 1）筛网分级式冲击式粉碎机。 由于筛网的网眼比粉碎粒子极限粒径大，因此，未 经充分粉碎的粒子也被送到系统外，粉碎效果不好。 2）使用气流分级的冲击式粉碎机。 有与直径达的粒子在磨机内反复循环，结果得 到更细的粉碎，效果比筛网好。 3）气流分级冲击磨碎机粉碎机。 该类型机综合了剪切、磨擦等功能，能得到 5- 10m 的微粉，比冲击性粉碎细度效果显著。 现实生活中，由于实际粉碎处理能力常和产品粒度成反比，所以必须按客观要求平 衡选择机种。 （4） 机型的选择和运行 1）粒度。 高速回转粉碎机是一种包括锤击式、压缩、剪切、磨料式的广谱型粉碎 机，也是一种粉碎粒度范围广泛的封闭式粉碎机。当粉碎比大时，根据原料的粉碎性能、 原料和产品的粒度，可选择普通粉碎机和特苏粉碎机的组合，构成高效率的多级粉碎。 从上述介绍中，可知其粉碎粒度从锤击式、转盘式到轴流式、环形式逐渐变细。另一方 面，磨碎式又比冲击式更能得到微细产品。如果为了直接从粉碎机中得到微细产品，使 用没有筛网的气流分级机构更有效。 2）形状控制。 在冲击粉碎机中，由于原料特性（如结晶）和机械特性（如冲击元 件硬度、速度）的不同，破坏粒子的形状而有所不同。通过反复粉碎，压缩剪切效果的 微粉碎和一般冲击粉碎机相比粒子纵宽尺寸要小，所以更易于形成球状化粒子。 3）弱热性物质。 虽然大多该种原料采用气流粉碎，但近年来使用冲击式粉碎机增 多，由于 AM 机进风量大，冷却和细度好，非常适合这种粉碎。另一方面，可采用冷风 乃至液氮冷却的粉碎机。 4）其他。 有些原材料对氛围要求苛刻，高速冲击粉碎机在真空中粉碎空难，为了 防止氧化，引起材质劣化，防止燃烧，爆炸等危险，可选择在氮气等惰性气体的氛围中 进行粉碎。 （5） 结语 高速回转粉碎机最近的动向是一面推进高速化，一面完成分解情况的简易化，并从 提高耐磨性等观点出发，进行多种改进。另外，附加冲击以外的机构使粉碎更加有效。 在粉碎过程中如何能够充分利用能量避免作无用功是一个课题。 1.2 课题的提出与意义课题的提出与意义 现代工程技术将需要越来越多的高纯超细粉体,超细粉碎技术在高新技术研究开发中 将起着越来越重要的作用。高新技术产业与非金属矿物有着密切的联系,在未来非金属矿 深加工技术开发和产业发展中要考虑高新技术及其产业的发展;在其开发利用及其深加工 过程中还必须考虑人类的生存和可持续发展,注意环境保护。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 5 未来非金属矿物原料或材料总的发展趋势是高纯、超细和功能化。以高纯超细非金 属矿物深加工原料为龙头,综合开发利用各种非金属矿产。虽然可以通过化学合成法制备 高纯超细粉体,但成本过高,至今未能用于工业化生产。获得超细粉体的主要手段仍然是 机械粉碎方式,用机械方式制取超细粉体所依赖的超细粉碎与分级技术的难度不断增大, 其研究深度永无止境。超细粉碎技术是多方面技术的综合,其发展也有赖于相关技术的进 步,如高硬高韧耐磨构件的加工、高速轴承、亚微米级颗粒粒度分布测定等。 但实际生产中，由于普通粉碎机3能耗过大，效率很低，且易产生过热粉碎，既影 响了产品的质量，又阻碍了粉碎原料的发展，所以高速涡流粉碎机在以后的生产中会有 很多的应用。 随着科学技术和工业生产的飞速发展，对各种非金属矿产的综合开发利用提出了更 高的要求，非金属矿物原料或材料总的发展趋势是高纯、超细和功能化。超细粉碎技术 在产品的研究开发中起着越来越重要的作用，可以充分利用原材料，保护环境，改善人 类的生存条件，符合可持续发展的要求。 虽然可以通过化学合成法制备高纯超细粉体，但由于成本过高，至今未能用于工业 化生产。获得超细粉体的主要手段仍然是机械粉碎方式，用机械方式制取超细粉体所依 赖的超细粉碎与分级技术的难度不断增大，其研究深度永无止境。超细粉碎技术是多方 面技术的综合,其发展也有赖于相关技术的进步，如高硬高韧耐磨构件的加工、高速轴承、 亚微米级颗粒粒度分布测定等。因此，超细粉碎技术的发展应集中在以下几个方面： （1） 改进现有超细粉碎与精细分级设备。主要是在现有设备基础上提高单机处理 能力和降低单位产品能耗、磨耗,提高自动控制水平。 （2) 优化工艺和完善配套。发展能满足或适应不同性质物料、不同细度、级配和纯 度要求、具有不同生产能力的超细粉碎成套工艺设备生产线和生产技术。 （3) 加强超细粉碎基础理论的研究。在深入研究机械粉碎法技术的同时，探寻化学 合成法、物理法等其他非机械力超细粉碎技术。 （4) 完善、优化超细粉碎设备和精细分级设备的配套。在现有粉碎设备的基础上， 改进、配套和完善分级设备、产品输送设备等其他辅助工艺设备，优化超细粉碎设备和 精细分级设备的配套组合工艺。 （5) 寻求解决超细粉碎过程中磨损的有效途径。研制高密度、高硬度研磨介质，解 决设备磨损、部件的材质问题也应是超细粉碎技术研究的重点。 在实际生产中，普通粉碎3机由于能耗过大、效率较低，且易产生过热粉碎，既影响 了产品的质量，又阻碍了粉碎原料的发展。而研究表明，高速涡流粉碎机是一种高效粉 碎设备，具有能耗少、粉碎能力大、结构紧凑、无故障运转时间长、清洗方便等优点， 具有广泛的应用领域。 1.3 课题的主要内容课题的主要内容 本课题在消化引进同类产品的基础上，设计 FS400 型高速涡流粉碎机，保证产品质 量和产品使用性能，解决实际工程问题。 FS 高效粉碎机的粉碎部分主要有电机、皮带轮、底座、进料口、出料口、回转 轴分散器、叶轮 刀片壳体、牙板等组成。其粉碎原理和工作过程为通过回转轴高 无锡太湖学院学士学位论文 6 速转动， 产生超强的榀流及高频振动的空气， 使得定量给出的物料被吸八入口螺旋室， 通过惯性力被加速再由分散器将其均匀地送入粉碎室，物料在粉碎室被高速转动的刀片、 超强的涡流、高频振动的空气瞬间粉碎，被粉碎的物料和空气一起通过出口螺旋室排出 机体，从而完成整个粉碎过程，由此完成回转轴，刀片等直接元件的设计，并且分析进 料口和出料口刀片的如何排布等，进一步进行强度和配合等审核 本设计需满足的要求如下： （1） 达到技术指标要求，满足实际工作需要。 （2） 整机结构简单实用，满足设计要求。 （3） 工作时能尽量减少噪音，设备外形力求简约美观。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 7 2 总体方案的确定总体方案的确定 2.1 设计依据设计依据 目前国内外对天然食用增稠剂不仅从质量上而且从用量上都有了大幅度的提高，但 在生产中，由于粉碎机能耗过大、效率很低且易产生过热粉碎，既影响了产品的质量， 又阻碍了天然食用增稠剂的发展。为此开始了高效粉碎机的设计。通过查阅国内外有关 粉碎机的资料、文献和专利，对其进行深入细致的研究、对比和分析，并结合天然食用 增稠剂本身的特性，设计出了适合于粉碎天然食用增稠剂的高效粉碎机。通过查阅有关 文献，粉碎机的类型主要有对辊型、锤片型、磨盘型、牙齿型、摒轮型等形式。通过分 析和比较，认为只有涡轮型4较适合于天然食用增稠剂的粉碎。利用叶片背面产生的无数 超声波涡流，以及由此产生的高频压力的振动作用将物料粉碎更加适合现代生产的需要。 2.2 粉碎机总体方案的确定粉碎机总体方案的确定 这次设计的FS高速涡流粉碎机主要用来对合成树脂、仪器化学药品等物料进行微粉 碎的机械，所以一定要到使物料达到一定的细度，所以主轴转动一定是高速的，利用高 速转动的刀片将物料剪切、碰撞。 2.2.1 传动装置的设计传动装置的设计 由于粉碎机处于高速运作状态，并且设计要简单和排布合理，传动精度不是要求很 高，所以用 V 带传动1比较合适。带传动是一种常用的、成本较低的动力传动装置。带 传动具有传动平稳、噪声低、清洁（无需润滑）的特点，具有缓冲减振和过载保护作用 并且维修方便。与链传动和齿轮传动相比，带传动的强度较低以及疲劳寿命较短。 2.2.2 粉碎室的设计粉碎室的设计 为了设计出合理的粉碎机，要对物料的粉碎方案进行初步的确定。通常有锤击式、 转盘式、轴流式、环形式等，经过比较和考虑，认为环形粉碎机比较合适。环形粉碎机 是轴流式粉碎机的一种，其转子和衬套间留很小间隙，两者表面都加有许多沟槽，粉碎 过程中在其中形成强烈的涡流，与这种有效粉碎密切相关。它比其他粉碎机更能得到均 匀的剪切速度场。所以能保证粒度十分均匀的微粉产品。通过粉碎带的流体模拟可以看 出高速回转的多叶片和衬套周边的流体分布。在叶片的间隙部分发出小涡流，促进粒子 的频繁撞击和粉碎。 2.2.3 水冷装置的设计水冷装置的设计 传统的的粉碎机由于高速长时间的运作和与物料间的相互剪切和碰撞一定会产生高 温，这样会可能使物料粘腔，粘力现象，故设计新结构，采用宽腔体带水夹套结构5，有 四组冷却通道，冷却效果理想，能使产品更好。 无锡太湖学院学士学位论文 8 3 FS400 高速涡流粉碎机总体设计高速涡流粉碎机总体设计 3.1 粉碎机工作参数的选择粉碎机工作参数的选择 3.1.1 回转轴的转速回转轴的转速 主轴的转速在粉碎过程中起着重要的作用，如图3.1所示。转速越高，粒度越细而且 粒度分布越集中。 图3.1 转速与粒度关系 3.1.2 粉碎室刀片与牙板的间隙粉碎室刀片与牙板的间隙 通过更换刀片，调整刀片与牙板间的问隙可以改变物料的粒度和生产能力，如图3.2 所示。间隙越小，粒度越细且粒度分布越集中。 图3.2 间隙与粒度关系 3.1.3 风量的选择风量的选择 粉碎机排风量越大，生产量就随之提高，但粒度会变粗，其关系如图3.3所示。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 9 图3.3 风量、粒度、产量的关系 由此可见，调整回转轴的转速、刀片与牙板间的间隙及风量，均可改变粉碎机的粒度和 产量。通过比较，最终参数的数据为： 回转轴转速：4000r/min 刀片与牙板间隙：10mm 风量：1020/min 3 m 动力：30kW 3.2 传动装置的设计传动装置的设计 3.2.1 电动机的选择电动机的选择 设计的传动方式是 V 带传动，由于设计要求粉碎机的主轴转速为 4000r/min，粉碎功 率为 30kW，并且是一个增速传动，传动比 1.3。计算发现电动的转速=2950r/min。 1 n （1） 工作机所需功率= 30 kWPw （2） 所需电机输出功率= d P Pw 而 V 带效率95 . 0 1 代入上式求得: =31.6kW d P 根据电动机的容量和转速6，查阅表 3-1 得 Y 系列（IP44）电动机是全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有高效、节能、起 动转矩大、噪声低、振动小、可靠性高等特点。其功率等级及安装尺寸完全符合 IEC 标 准。 Y 系列（IP44）电动机是一般用途的电动机，适用于驱动无特殊性能要求的各种机械 设备，如机床、水泵、风机、压缩机、运输机、搅拌机、农业机械、矿山机械等。 Y 系列（IP44）电动机额定电压为 380V、额定频率为 50Hz、绝缘等级为 B 级、防护 等级为 IP44。 无锡太湖学院学士学位论文 10 表 31 主要技术数据 型号 功率 （kW ） 效率 （% ） 功率 因数 cos 起动电 流倍数 起动 转矩 倍数 最大转 矩倍数 额定 电流 （A） 额定 转速 （r/m in） 同步 转速 （r/mi n） 噪声 （dB ） 振动 （m m/s） 重量 （kg ） Y160 L-2 18.590.00.89722.235.12930872.8136 Y180 M-2 2290.50.89722.241.52940922.8170 Y200 L1-2 3091.40.89722.256.02950952.8224 Y200 L2-2 3792.00.89722.268.72950952.8245 Y225 M-2 4592.50.89722.283.02970972.8286 Y250 M-2 5593.00.89722.2101.02970973.5383 Y280 S-2 7593.60.89722.2136.82970993.5496 Y280 M-2 9093.90.89722.2163.62970993.5550 Y315 S-2 11094.00.896.81.82.2199.829801043.5850 所以电动机可选 Y 系列三相异步电动机，型号 Y200L22，同步转速：3000 r/min， 额定功率：37kW，额定转速：2950 r/min，质量 245Kg。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 11 3.2.2 V 带的设计带的设计 （1） 确定计算功率 ca P 根据表 3-2， 表 3-2 工作情况系数 A K A K 空、轻载起动重载起动 每天工作小时数/h 工况 1616 载荷 变动 量小 液体搅拌机、通风机和鼓风 机（7.5kW） 、离心式水泵 和压缩机、轻载荷输送机 1.01.11.21.11.21.3 载荷 变动 小 带式输送机（不均匀负荷） 、 通风机（7.5kW） 、旋转式 水泵和压缩机（非离心式） 、 发电机、金属切削机床、 、印 刷机、旋转筛、锯木机和木 工机械 1.11.21.31.21.31.4 载荷 变动 较大 制砖机、斗式提升机、往复 式水泵和压缩机、起重机、 磨粉机、冲减机床、橡胶机 械、振动筛、纺织机械、重 载输送机 1.21.31.41.41.51.6 载荷 变动 很大 破碎机（旋转式、颚式等） 、 磨碎机（球磨、棒磨、管磨）1.31.41.51.51.61.8 查得工作情况系数=1.2，故=1.2x37=44.4kW A K ca P A KP （2） 选择 V 带的带型 根据、选用 SPA 型窄 V 带。 ca P 1 n （3） 确定带轮的基准直径并验算带速 d dv 1）初选大带轮的基准直径 1d d 由 GB/T 10412-2002，取大带轮的基准直径=200mm 1d d 2）验算带速 11200 2950 30.8/ 60 100060 1000 d n vm s 窄 V 带最大带速在 35-40m/s，所以带速合格 3）计算小带轮的基准直径 =/i=200mm/1.3=153mm 2d d 1d d 无锡太湖学院学士学位论文 12 根据表 3-3， 表 3-3 普通和窄 V 带轮（基准宽度制）直径系列（摘自 GB/T 10412-2002） 槽型 有效直 径Y Z、SP Z A、SP A B、SP B C、SPCDE 圆跳动公 差 t 1060.3 112 + 0.3 1180.3 1250.3 1320.3 1400.3 1500.3 1600.3 1700.4 1800.4 200+0.4 圆整=150mm 2d d （4） 确定 V 带中心距和基准长度a d L 1）初选中心距 =600mm 0 a 2）计算带所需的基准长度 mm 0 2 12 2100 42 2 a dd ddaL dd ddd 1751 6004 200150 150200 2 6002 2 查 表 3-4 基准宽度制窄 V 带的基准长度系列（摘自 GB/T 111544-1997） 基准长度 d L带型 基本尺寸极限偏差SPZSPASPBSPC 配组公差 63062 71082 80082 900102 1000102 1120132 1250132 1400162 1600162 1800202 2000202 2240254 FS400 高速涡流粉碎机的设计 13 取mm1800 d L 3）计算实际中心距a mm625 2 17511800 600 2 0 0 dd LL aa （5） 验算小带轮包角 1 90175 625 3 .57 150200180 3 . 57 180 211 a dd dd （6） 确定带的根数 由=200mm，=2950r/min，查表得=12.87kW，=0.23kW 1d d 1 n 0 P 0 P 查表，99. 0 K95 . 0 L K 60. 3 95 . 0 99 . 0 23 . 0 87.12 4 . 44 00 L ca KKPP P z 取 z=4 （7） 计算单根 V 带的初拉力和压轴力 0 F p F 查表得 SPA 型窄 V 带的单位长度质量 q=0.12kg/m Nqv Kzv P F ca 3898 .3012 . 0 1 99 . 0 5 . 2 8 . 304 4 .44 5001 5 . 2 500 22 0 作用在轴上压力 NzFFp3109 2 175 sin38942 2 sin2 0 3.3 粉碎室的设计粉碎室的设计 3.3.1 粉碎机机壳的设计粉碎机机壳的设计 机座和箱体等零件，在一台机器的总质量中占有很大的比例7（例如在机床中约占总 质量的 70%90%） ，同时在很大程度上影响着机器的工作精度和抗振性能；若兼作运动 部件的滑道（导轨）时，还影响着机器的耐磨性等。所以正确选择机座和箱体等零件的 材料和正确设计其结构形式及尺寸是减小机器质量、节约金属材料、提高工作精度、增 加机器刚度机耐磨性能等的重要途径。 机座和箱体的材料及制法。固定式机器，尤其是固定式重型机器，其机座和箱体的 结构较为复杂，刚度要求也比较高，因此通常都为铸造。铸造材料常用既便于施工又价 廉的铸铁（包括普通灰铸铁、球墨铸铁与变性灰铸铁等） ；只有需要强度高、硬度大时才 使用铸钢；当减小质量具有很大意义时（如运行式机器的机座和箱体）才用铝合金等轻 合金。对于运行式机器，如飞机、汽车、拖拉机、及运行式起重机等，减小机体的重量 很重要，故常用钢或轻合金型材焊制。大型机座的制造，则常采取分零铸造，然后焊成 一体的办法。 铸造及焊接零件的基本工艺，应用特征及一般选择原则可以参考金属工艺学，设计 时应全面进行分析比较，以期设计合理，且能符合生产实际。例如虽然一般说，成批生 产且结构复杂的零件以铸造为宜，单件或少量生产，且生产期限较短的零件则以焊接为 无锡太湖学院学士学位论文 14 宜，但为具体的机座或箱体仍应分析其主要决定因素。譬如成批生产的中小型机床及内 燃机等的机座，结构复杂是其主要问题，固然应以铸造为宜；但成批生产的汽车底盘及 运行式起重机的机体等却以质量小和运行灵便为主，则又应以焊接为宜。又如质量及尺 寸都不大的单件机座或箱体以制造简便和经济为主，应采用焊接；而单件大型机座或箱 体若单采用铸或焊皆不经济或不可能时，则应采用拼焊结构等等。 FS400型粉碎机的设计为了便于检查和维修，机壳设计成上下2个机壳，两机壳用铰 链连接，其中一个可以从45角打开到水平位置。起粉碎腔直径是400mm，由于要在内壁 安装齿形衬板，故设计机壳内径尺寸为414mm,结构如图3.4和3.5所示所示。 图3.4 上机壳 FS400 高速涡流粉碎机的设计 15 图 3.5 下壳体 上下机壳的设计是根据实际需要，其出料口的大小能满足实际出料风量和物料的输出， 由于 2 个机壳是在 45能打开，其孔径有同轴度的要求，所以在进行机加工时一定要将上 下机壳安装后进行镗孔处理，这样能保证正确的黏合。出料口是一个法兰结构，机身本 身的生产可以采用逐步的焊接形式，直接铸造的成本比较高，难度也比较大，可以用板 筋类的知识进行逐个片体的加工8，和部分零件的铸造，最后焊接成上下机壳。 3.3.2 粉碎机内腔衬板的设计粉碎机内腔衬板的设计 FS400 高速涡流粉碎机是内腔直径为 400mm，粉碎原理是使固体物料颗粒在内 腔的齿形衬板与刀片之间受到挤压、撕裂、碰撞、剪切等多种机理作用，从而达到 粉碎的目的。齿形衬板的结构如图 3.6 所示。 图 3.6 齿形衬板 这种结构能更好的对物料进行粉碎和撞击。 无锡太湖学院学士学位论文 16 3.3.3 粉碎刀片和刀架的设计粉碎刀片和刀架的设计 在机器内部，由 3 组刀盘共 42 把刀片组成的粉碎转子支承在左右端盖的轴承 座上作高速旋转，使固体物料颗粒在内腔的齿形衬板与刀片之间受到挤压、撕裂、 碰撞、剪切等多种机理作用，从而达到粉碎目的。同时转子两端的大、小叶轮的高 速旋转，在进口和出口间通过腔体形式涡流效应，使被粉碎颗粒顺畅地进口（间隙 大）到（间隙小） ，实现粉碎并细化。 1. 粉碎刀片的设计 粉碎刀片设计如图 3-7 所示。 图 3.7 粉碎刀片三维图、二维图 其刀片由于高速运转对物料进行粉碎，受到的力比较大和冲击载荷，所以设计了加强 筋类似的结构9，与刀架配合用两端开口刀削，并且刀片进行淬火和回火处理，用来提高 钢的硬度和强度极限，回火去除淬火的脆性和内应力，提高钢的塑性和冲击韧度。 由于粉碎机要求物料从间隙大到间隙小，所以设计出了大，小两种刀片，即宽度有 50 和 55mm 两种。 2. 刀架的设计 刀架是用来安装刀片和与主轴配合的关键零件，其结构设计如图 3-8 所示。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 17 图 3.8 刀架三维图、二维图 设计的刀架在满足强度要求的情况下尽力减小尺寸。由于刀片尺寸的确定，故设计的 刀架与刀片配合的半圆形销孔的位子 d=247mm，与轴配合的孔尺寸为 75mm，采用的键槽 宽度是 20mm，宽度为 100mm。 由于粉碎的需要，3个刀架必须错开一定角度，其中第二件键槽角度转过12.5，达到 刀片错开，这样粉碎的效果更好。这样在安装刀片和主轴后将粉碎腔分成了4个仓，相互 保持相对独立的结构。刀片和刀架的连接采用了开口刀削和轴用弹性挡圈10，如图3-9所 示。 图3.9 开口刀削及弹性挡圈 这种结构方便刀片和刀架的拆装，以便刀片的磨损或者损坏进行及时的跟换。 刀片与刀架安装后如图3-10所示。 无锡太湖学院学士学位论文 18 图3.10 刀片、刀架安装示意图 3. 夹板的设计 夹板是用来分开2个粉碎刀架用的，让其形成2个互相独立的小粉碎腔，其尺寸根据 安装好的刀架和刀片来确定，直径d比刀架外径小点，确定其d=376mm，厚度为2mm，结 构如图3-11所示。 图3.11 夹板 3.3.4 进料风轮和出料风轮的设计进料风轮和出料风轮的设计 为了满足设计要求，风量能达到 10 20m3/min，设计了如下结构 1. 进料风轮的设计 FS400 高速涡流粉碎机的设计 19 图 3.12 进料风轮三维图、二维图 进料风轮位于进料口，在粉碎刀架的前面，在考虑其安装固定问题后，认为左端靠 主轴上的阶梯结构，右端靠粉碎刀架 1 将其径向固定，轴向定位用 3 个销与粉碎刀架 1 连接， 如图 3.12 所示。 其孔径与刀架一样为 75mm，厚度为 9mm。 2. 出料风轮的设计 无锡太湖学院学士学位论文 20 图 3.13 出料风轮三维图、二维图 出料风轮位于出料口，其主要作用是与进料风轮高速旋转，在进口和出口间通过腔 体形成涡流效应，使被粉碎颗粒顺畅地进口（间隙大）到（间隙小） ，实现粉碎并细化， 结构如图 3-13 所示。 考虑到下面轴系的设计，将其孔的大小设计为 60mm，其接触宽度为 60mm，查表得 到其键槽的宽度是 18mm11。梯形叶片的结构能更好的让粉碎室产生涡流效应。 3.3.5 主轴的设计及校核主轴的设计及校核 设计轴的大概形状如图 3-14 所示。 图 3.14 主轴形状分布 （1） 确定轴上的功率、 1 P 1 n 1 T =30kW，=4000r/min， 1 P 1 nmmN n P T71625 4000 30 95500009550000 1 1 1 （2） 初步确定轴的最小直径 FS400 高速涡流粉碎机的设计 21 选取轴的材料为 45Cr,调质处理。查表，取，=95。于是得 45Mpa 0 A mm n P Ad 2 . 43 4000 30 95 3 3 1 1 0min 轴的最小直径显然是安装皮带轮处轴的直径，由于暂时无法确定 6 d （3） 轴的结构设计 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度12。 1）设计 1 段和 5 段是放轴承的，由于轴承基本就受到径向力的作用，所以选用深沟球 轴承，基于粉碎刀架设计孔直径是 75mm,且 2 段有个锥形设计，故查表确定选用轴承 6210，其尺寸为 d x D x T = 50mm x 90mm x 20mm，但是 1 段右端还要装轴用挡灰圈， 起 L 为 50mm,右端还要安装一个端盖，其压入尺寸最少为 3mm,所以 1 段长 =50+20+3=73mm， =50mm。 1 L 1 d 2）2 段是支座与进料风轮的台阶，其左端 d 为 61，右端 d 为 95, 并且其凸台结构的厚 度为 10mm，连接处倒圆就可以了，根据考虑其长度=114mm。 2 L 3）3 段是轴的核心部位，是安装进料风轮和刀架，由于其右端无法用阶梯轴的形式或 轴承来压紧，故设计了一个紧固定位螺母来对刀架和进料风轮进行轴向定位。上面设计 刀架 L=100mm，夹板厚度 L=2mm。 查表设计了如图 3.15 所示的紧固定位螺母13。 图 3.15 紧固定位螺母 这个定位螺母的设计考虑到主轴在长期高速转动，主轴上面的进料风轮和刀架有一 定的轴向松动，故有自锁功能。紧固定位螺母在压紧刀架后可以将 4 个 M10 的螺栓拧紧， 使压紧端面发生变形，将螺栓翘紧达到紧固螺母无法被松开。防止了主轴上面零件的轴 无锡太湖学院学士学位论文 22 向松动。在 3 段轴右端要加上一个 M72 的螺纹有退刀槽，设计其一共长度 L=52mm，考 虑到有时可能要安装 4 组刀片，故设计其长度 L=9+100+2+100+2+100+2+100=415，但是 在右端要被紧固定位螺母压紧必须留有余量，取=2 mm,所以 L=415-2=413mm,在轴上有 2 个键槽来对刀架进行径向定位，宽度 b=20mm。 3 段结构图如图 3.16 所示。 图 3.16 3 轴结构示意图 4）4 段是安装出料风轮的，上面设计出料风轮 L=60mm,由于右端和 1 段一样要有一个 挡灰圈的设计，并起到轴向定位的作用，4 段轴的长度必须比出料风轮的 L 小一定的余 量，取=3mm,所以 4 段 L=60-3=57mm，轴上开有键槽，查表其 b=18mm 5）5 段是安装轴承的，型号是 6210，其尺寸为 d x D x T = 50mm x 90mm x 20mm，左 端轴向定位靠实挡灰圈，右端是透盖，透盖和轴承座连接固定，这样使主轴经过左右透 盖的压紧，轴向定位保证。长度 L=3+50+20+0.5=73.5mm ，3mm 是 4 段的余量，50mm 是挡灰圈的长度，20mm 是轴承厚度，0.5mm 是 6 轴顶套压入的余量。 6）6 段是安装皮带轮的，轴向定位左端靠顶套，右端靠端盖，端盖是连接在主轴右端 的，直径是最小的，5 段位 50mm，那设计 6 段直径为 49mm，长度 L=110mm，顶套长 度为 41mm，在右端处开有键槽，查表宽度 b=14mm。 最后轴上零件的安装如图 3.17 所示。 FS400 高速涡流粉碎机的设计 23 图 3.17 轴上零件的安装 （4） 求轴上的载荷 假设就分担在一个截面上，就在竖直面内，取在极限N d T Ft395 400 7162522 1 2 位子，力全部集中在出料风轮。=600，=160 1 L 2 L 则竖直反力 N38FNV1 N312FNV2 弯矩mmNM4980060083 max 扭矩 mmNT 71625 （5） 按弯扭合成应力校核轴的强度 此轴输出转矩，轴单向运转，可以认为转矩应力为脉动循环变化，mmNT 71625 故取，则0.6mmNT42975716256 . 0 M=mmNTM.657804297549800 22 2 2 a MP W M 6 . 5 601 . 0 65780 3 轴的材料是 45Cr,查表取 a MP70 1 1 强度符合要求 3.3.6 进料口和出料挡板的设计进料口和出料挡板的设计 （1） 进料口的设